CN101969277A

CN101969277A - 太阳位置传感装置

Info

Publication number: CN101969277A
Application number: CN2009101649687A
Authority: CN
Inventors: 刘台徽; 萧正富
Original assignee: Solapoint Corp
Current assignee: Solapoint Corp
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-02-09

Abstract

本发明提供一种太阳位置传感装置，应用于一太阳能发电装置，包括第一透镜组、第二透镜组及图像传感阵列。第一透镜组用以接收太阳光，且第一透镜组具有入射面，提供太阳光45度至75度的最大入射角。第二透镜组聚焦来自第一透镜组的太阳光。图像传感阵列根据第二透镜组所聚焦的太阳光在图像传感阵列上的位置，产生控制信号，用以控制太阳能发电装置。

Description

太阳位置传感装置

技术领域

本发明为一种太阳位置传感装置，应用于一太阳能发电装置。特别是一种以图像比对方式追踪太阳位置及方位角的装置，并且利用透镜组接收太阳光，使得太阳能发电装置能保持与太阳光方向垂直，进而达到最大的发电效果。

背景技术

传统追踪太阳装置(tracker)是借由光传感器来进行太阳的追踪。并且，通过接收一个或数个光传感器所得到的太阳光信号来驱动动力系统，再带动追踪太阳装置继续保持朝向太阳的位置。追踪太阳装置亦包括有聚光管，太阳光借由聚光管的聚焦，使得聚焦过后的太阳光形成光圆点，并且投射在与聚光管平行设置的光传感器上。上述状态，是追踪太阳装置最佳的追踪位置，并且追踪太阳装置继续保持朝向太阳的位置。

再者，若太阳光非垂直入射至聚光管时，可借由光传感器检测到聚焦后的太阳光的光圆点所产生的变化，通过动力系统调整追踪太阳装置的位置，使得太阳光又能回到保持朝向太阳的位置。故当系统不断重复运作，能使追踪器永远面向太阳，达到追踪太阳的目的。

然而，利用传统光传感器传感太阳光而调整追踪太阳装置的方式，常常由于光传感器上传感的误差，容易产生移动上的误差。特别是在天空有云层出现时，由于云层会遮住太阳一段时间，而此段时间光传感器无法感应太阳光。然而，光传感器并无法察觉目前天空有云层挡住太阳，所以光传感器为了找寻到太阳，必定持续的调整追踪太阳装置的位置，直到太阳出现后，追踪太阳装置才能有机会追踪到太阳的位置，然而在此情况之下，追踪太阳装置常常无法确认太阳正确的位置，原因在于太阳光必须先经由聚光管聚焦，而其中太阳光入射聚光管有一定的入射角，即是太阳光必须在此范围内，才会形成该光圆点于光传感器上，不然追踪太阳装置无法正确的移动到正确朝向太阳垂直光传感器上的位置上，可能因而发生无法追踪太阳的情况。

因此，本发明针对传统技术中，有效解决追踪太阳装置无法准确对准太阳的问题。

发明内容

本发明一方面在于提供一种太阳位置传感装置，应用于一太阳能发电装置。太阳位置传感装置提供大角度入射角的透镜组入射面，用以接收太阳光，并且通过图像传感阵列产生控制信号，用以控制太阳能发电装置。

本发明另一方面在于提供一种太阳位置传感装置，其利用滤光单元过滤选择一波长的太阳光与对应该波长的太阳光具有一透光率，用以提供图像传感阵列产生控制信号，而控制太阳位置传感装置。

在一实施例中，提供一种太阳位置传感装置，应用于一太阳能发电装置，包括第一透镜组、第二透镜组及图像传感阵列。第一透镜组用以接收太阳光，且第一透镜组具有入射面，提供太阳光45度至75度的最大入射角。第二透镜组聚焦来自此入射面的太阳光。图像传感阵列根据第二透镜组所聚焦的太阳光，在图像传感阵列上的位置，并且产生控制信号，用以控制太阳能发电装置。

在另一实施例中，提供一种太阳位置传感装置，应用于一太阳能发电装置，包括透镜组、滤光单元及图像传感阵列。透镜组具有入射面，用以提供太阳光45度至75度的最大入射角。滤光单元供选择一波长的太阳光，并且滤光单元对应波长的太阳光具有一透光率。图像传感阵列根据过滤之后的太阳光，在图像传感阵列上的位置，并且产生控制信号，用以控制太阳能发电装置。

配合以下的优选实施例的叙述与附图说明，本发明的目的、实施例、特征、及优点将更为清楚。

附图说明

图1a～图1c为根据本发明的实施例的太阳位置传感装置示意图；

图2a～图2b为说明本发明的实施例图1中的太阳位置传感装置；以及

图3a～图3e为根据本发明的实施例的太阳位置传感装置。

主要元件符号说明

太阳位置传感装置 100、200

第一透镜组 102、202

第二透镜组 104、206

图像传感阵列 106、208

传感单元 1062、2082

滤光单元 108、204

入射面 POI

广角区 1022

非广角区 1024

入射角 α、θ

图像 IMG

控制信号 CS

太阳 SUN

太阳光 SL

平行光 PL

法线 NL

具体实施方式

本发明公开一种太阳位置传感装置，借由透镜组接收太阳光，控制太阳能发电装置的转动以持续追踪太阳的位置，使得太阳能发电装置能够正对太阳光以产生最大的能量。为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照下列描述并配合图1a至图3e的附图。

参考图1a，为根据本发明的实施例的太阳位置传感装置100示意图。举例来说，太阳位置传感装置100可整合于太阳能发电装置、太阳能电池、太阳能电池板或者其它需要追踪太阳光的装置。

太阳位置传感装置100包括第一透镜组102、第二透镜组104及图像传感阵列106。第一透镜组102具有入射面POI，用以接收来自太阳SUN所发出的太阳光SL。其中，太阳光SL以一入射角α入射此入射面POI，此入射角α定义乃是太阳光SL与入射面POI法线NL的夹角。入射角α的形成为由于地球自转的缘故，太阳SUN在地球表面上会形成相对应的太阳运动轨迹，此运动轨迹会使得太阳光SL 射该入射面POI的入射角α产生变化。故为了让太阳能发电装置获得最大范围的太阳光入射角，亦即是获得能量最强的太阳光SL入射。并且需要通过太阳SUN位置传感装置检测太阳光SL的入射角α，进而产生对应该入射角α的控制信号CS，以调整太阳位置传感装置100的位置，使得太阳光SL可以保持垂直入射入射面POI的方向。较佳地，此入射角最大可介于45度至75度之间，也就是在90度至150度的范围内所入射的太阳光，都能进入第一透镜组102。第一透镜组102并且将太阳光转成平行光PL。第二透镜组104聚焦来自第一透镜组102的太阳光SL。图像传感阵列106供传感第二透镜组104所聚焦的太阳光SL，并根据所聚焦的太阳光SL，呈现图像IMG在图像传感阵列106上，并且根据图像IMG，产生控制信号CS，用以控制太阳能发电装置(图上未显示)。此外，图像传感阵列106还包括传感单元1062，用以接收图像IMG，例如传感单元1062为电荷耦合元件(CCD)或互补式金属-氧化层-半导体(CMOS)所组成。

参考图1b～图1c，为说明图1a的太阳位置传感装置100移动的状态示意图。图1b为太阳SUN所发出的太阳光SL垂直入射至第一透镜组102的入射面POI，即是入射角α为0度。换句话说，太阳光SL与第一透镜组102的法线NL平行。再者，太阳光SL通过第一透镜组102至第二透镜组104。此时太阳位置传感装置100控制与之连结的太阳能发电装置保持朝向太阳的位置。

再参考图1a，当太阳SUN运动时，入射至入射面POI的太阳光SL与第一透镜组102的法线NL产生一入射角α的变化。如此入射角α的改变，使得太阳光SL经由第一透镜组102与第二透镜组104聚焦后，呈现在图像射阵列106上的图像IMG产生移动，参考图2b，即是图像IMG由原本的传感单元1062的a、b、c、d的位置，移动到e、f、g、h的位置。此时，图像传感阵列106发出一控制信号CS驱动太阳能发电装置转动，形成如图1c所示的状态。参考图1c，太阳SUN所发射的太阳光SL仍继续维持垂直入射在第一透镜组102的入射面POI，使得太阳能发电装置获得最大的太阳光SL的入射角α，亦即是获得能量最强的太阳光SL入射。此外，驱动太阳能发电装置转动的控制信号CS，包括图像IMG位于传感单元1062的位置等信息，并且通过处理单元(图上未显示)处理图像IMG的位置，以产生对应的驱动信号，驱动太阳能发电装置转动，此驱动方式为其中的一种实施方式，在此不赘述。

此外，可参考图2a，其更进一步说明第一透镜组102的入射面POI是由广角区1022与非广角区1024所组成。广角区1022可接收入射角α45度至75度的太阳光SL入射至入射面POI。其目的可以解决传统技术中，因透镜入射角过窄，需要须限定太阳光SL的入射角的范围，使得系统设置时，为了避免检测太阳光SL以超出透镜所允许的入射角入射，需要时时刻刻去检测太阳SUN的位置，此检测动作造成额外的能量浪费，又或者当检测时，太阳SUN恰好被云层所遮掩，亦会使得太阳位置传感装置100因检测不到太阳光SUN，而产生错误的作动。

非广角区1024可接收入射角θ以下的太阳光SL入射至入射面POI，其中与入射角α不同的是，入射角θ定义为太阳光SL近似平行于第一透镜组102的法线NL，在此的入射角θ定义为小于前述入射角α。目的为当太阳光SL几乎垂直入射该入射面POI时，可直接经由非广角区102入射至太阳位置感射装置100内部。非广角区102可设计为低散射、低损耗的特性，使得太阳光SL所产生的图像IMG更精确的投射在图像传感阵列106上。

参考图2b系详细说明图1a～图1c中图像IMG在图像传感阵列106的示意图。当太阳光SL入射至第一透镜组102时，借由第二透镜组104聚焦来自第一透镜组102的太阳光SL，并且在传感单元1062上呈现一聚焦的图像IMG。在此实施例中，图像IMG示意由原本的传感单元1062的a、b、c、d的位置，移动到e、f、g、h的位置，此移动意味着太阳光SL入射至入射面POI的入射角产生变化。此时，位于e～h位置的图像IMG可根据运算法运算图像IMG的圆心位置，使得太阳位置传感装置100可提供太阳发电装置转动的控制信号CS，用以达成利用太阳位置传感装置自动追踪太阳的目的。

再者，太阳位置传感装置100还包括滤光单元108，供选择一波长的太阳光SUN，并且对应该波长的太阳光SUN具有一透光率。使得太阳位置传感装置100能够在大晴天、多云天或阴天，利用检测特定的波长，达成以较高的精密度追踪到太阳光SUN的位置。此外，上述透光率若设计成低透光率，其除了可保护有机材料长期在太阳照射下不会受到破坏外，亦可降底成本，使得整个太阳位置传感装置100的设计能使用一般常规零组件，不需采用价高的特殊零组件。优选地，滤光单元108选用位于一紫外光的波长范围，其波长介于280纳米与380纳米之间，并且对应紫外线波长的透光率在0.0003％以下。或者是，滤光单元108选用位于一可见光的波长范围，其波长介于380纳米与780纳米之间，并且对应可见光波长的透光率在0.3％至0.002％之间。亦或是，滤光单元108选用位于一红外光的波长范围，其波长介于780纳米与1300纳米之间，并且对应红外光波长的透光率在0.001％以下。或者是，滤光单元108选用位于一红外光的波长范围，其波长介于1300纳米与2000纳米之间，并且对应红外光波长的透光率在0.05％以下。

参考图3a-图3e，为根据本发明的实施例的太阳位置传感装置200。在本实施例中，太阳位置传感装置200为利用第一透镜组202、滤光单元204、第二透镜组206及图像传感阵列208的排列所组成。

参考图3a，是由第一透镜组202用以接收太阳光SUN，且第一透镜202组具有入射面POI，提供太阳光SL以入射角α入射入射面POI，而入射角α最大可达45度至75度。再者，经过第一透镜组202的太阳光SL再经过滤光单元204选择其一波长，并且滤光单元204对应该波长的太阳光具有透光率。并且，通过第二透镜组206将来自滤光单元204的太阳光SL聚焦后的图像IMG投影至图像传感阵列208上的传感单元2082，并且根据该位于传感单元2082上的图像IMG位置，产生控制信号CS，用以驱动太阳位置传感装置200作动。

参考图3b，太阳光SL首先经过滤光单元204选择其一波长，并且滤光单元204对应该波长的太阳光具有透光率。该选择波长之后的太阳光SL再经由第一透镜组202与第二透镜组206，将聚焦该太阳光SL后的图像IMG投影至图像传感阵列208上的传感单元2082，并且根据该位于传感单元2082上的图像IMG位置，产生控制信号CS，用以驱动太阳位置传感装置200作动。

参考图3c，太阳光SL首先经过滤光单元204选择其一波长，并且滤光单元204对应该波长的太阳光具有透光率，并且通过第二透镜组206将太阳光SUN聚焦后的图像IMG投影至图像传感阵列208上的传感单元2082，并且根据该位于传感单元2082上的图像IMG位置，产生控制信号CS，用以驱动太阳位置传感装置200作动。

参考图3d，太阳光SL通过第二透镜组206，将太阳光SL聚焦形成图像IMG，并且通过过滤光单元204选择太阳光SL其一波长，并且滤光单元204对应该波长的太阳光具有透光率，再将经滤光单元204的图像IMG投影至图像传感阵列208上的传感单元2082，并且根据该位于传感单元2082上的图像IMG位置，产生控制信号CS，用以驱动太阳位置传感装置200作动。

参考图3e，太阳光SL入射至第一透镜组202，并且通过过滤光单元204选择太阳光SL其一波长，并且滤光单元204对应该波长的太阳光具有透光率，再将经滤光单元204的图像IMG投影至图像传感阵列208上的传感单元2082，并且根据该位于传感单元2082上的图像IMG位置，产生控制信号CS，用以驱动太阳位置传感装置200作动。

上述中，优选地，信号CS控制控制与太阳位置传感装置200连接的太阳能发电装置、太阳能电池、太阳能电池板或者其它需要追踪太阳光的装置等，转动一角度至预定接收位置，使得太阳能发电装置、太阳能电池或太阳能电池板产生一最大的能量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明的范围；凡其它未脱离本发明的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包括在本发明范围内。

Claims

1.一种太阳位置传感装置，应用于一太阳能发电装置，包括：

一第一透镜组，用以接收太阳光，该第一透镜组具有一入射面，提供该太阳光以一入射角入射该入射面，而该入射角最大可达45度至75度；

一第二透镜组，聚焦来自该第一透镜组的该太阳光；以及

一图像传感阵列，供传感该第二透镜组所聚焦的该太阳光，并根据所聚焦的太阳光在该图像传感阵列上的位置，产生一控制信号，用以控制该太阳能发电装置。

2.根据权利要求1所述的太阳位置传感装置，还包括一滤光单元，供选择一波长的太阳光，且该滤光单元对应该波长的太阳光具有一透光率。

3.根据权利要求2所述的太阳位置传感装置，该波长位于一紫外光的波长范围，其波长介于280纳米与380纳米之间，并且对应该紫外线波长的该透光率在0.0003％以下。

4.根据权利要求2所述的太阳位置传感装置，该波长位于一可见光的波长范围，其波长介于380纳米与780纳米之间，并且对应该可见光波长的该透光率在0.3％至0.002％之间。

5.根据权利要求2所述的太阳位置传感装置，该波长位于一红外光的波长范围，其波长介于780纳米与1300纳米之间，并且对应该红外光波长的该透光率在0.001％以下。

6.根据权利要求2所述的太阳位置传感装置，该波长位于一红外光的波长范围，其波长介于1300纳米与2000纳米之间，并且对应该红外光波长的该透光率在0.05％以下。

7.根据权利要求1所述的太阳位置传感装置，其中该图像传感阵列具有至少一传感单元。

8.根据权利要求7所述的太阳位置传感装置，其中该第二透镜组将该太阳光聚焦在该至少一传感单元上。

9.根据权利要求8所述的太阳位置传感装置，其中该至少一传感单元为电荷耦合元件(CCD)或互补式金属-氧化层-半导体(CMOS)。

10.一种太阳位置传感装置，应用于一太阳能发电装置，包括：

一透镜组，用以接收太阳光，该第一透镜组具有一入射面，提供该太阳光以一入射角入射该入射面，而该入射角最大可达45度至75度；

一滤光单元，供选择一波长的太阳光，且该滤光单元对应该波长的太阳光具有一透光率；以及

一图像传感阵列，根据该过滤之后的太阳光，在该图像传感阵列上的位置，并且产生一控制信号，用以控制该太阳能发电装置。

11.根据权利要求10所述的太阳位置传感装置，该波长位于一紫外光的波长范围，其波长介于280纳米与380纳米之间，并且对应该紫外线波长的该透光率在0.0003％以下。

12.根据权利要求10所述的太阳位置传感装置，该波长位于一可见光的波长范围，其波长介于380纳米与780纳米之间，并且对应该可见光波长的该透光率在0.3％至0.002％之间。

13.根据权利要求10所述的太阳位置传感装置，该波长位于一红外光的波长范围，其波长介于780纳米与1300纳米之间，并且对应该红外光波长的该透光率在0.001％以下。

14.根据权利要求10所述的太阳位置传感装置，该波长位于一红外光的波长范围，其波长介于1300纳米与2000纳米之间，并且对应该红外光波长的该透光率在0.05％以下。